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2013 | Book

Das Prinzip der Brennstoffzelle Read chapter Read first chapter

Brennstoffzellentechnik

Grundlagen, Komponenten, Systeme, Anwendungen

Author: Peter Kurzweil

Publisher: Springer Fachmedien Wiesbaden

Part of: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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About this book

Dieses Fach- und Lehrbuch behandelt die Grundlagen der Brennstoffzellen. Dabei werden die chemischen Grundlagen in leicht verständlicher Form dargestellt. Einen Schwerpunkt des Buchs bilden die verschiedenen Brennstoffzellentypen und deren technische Anwendung. Im Kapitel "Gaserzeugung" werden konventionelle und alternative Methoden und Konzepte behandelt. Eine aktuelle Marktübersicht von Anbietern gibt zuverlässige Informationen zu diesem Thema. Die überarbeitete und aktualisierte zweite Auflage berücksichtigt zahlreiche konstruktive Ergänzungsvorschläge aus Leserzuschriften. Dabei wurden die Grundlagen ausführlicher behandelt und durch Rechenbeispiele ergänzt. In der Marginalspalte findet der Leser praxisnahe Zusatzinformationen und die Tabellen bringen Bezüge zur aktuellen Forschung.

Table of Contents

Frontmatter

Grundlagen

Frontmatter
1. Das Prinzip der Brennstoffzelle
Zusammenfassung
Brennstoffzellen ”verbrennen“ einen Brennstoff nicht mit einer Feuererscheinung unter Freisetzung von Wärme. Anders als ihr Name
vermuten lässt, wird üblicherweise Wasserstoff wie in einer Batterie
durch elektrochemische Vorgänge verstromt statt verbrannt.
Brennstoffzellen wandeln die im Brennstoff gespeicherte chemische
Energie direkt in Elektrizität – ohne Umweg über Wärme!
Peter Kurzweil
2. Thermodynamik und Kinetik der Brennstoffzelle
Zusammenfassung
Leistungsdaten und Betriebsverhalten einer Brennstoffzelle werden von der Thermodynamik und Kinetik der Elektrodenvorgänge bestimmt. Die numerische Berechnung des Zellgeschehens gelingt nur näherungsweise; die Praxis stützt sich auf empirische Messungen.
Peter Kurzweil

Technik und Anwendungen

Frontmatter
3. Alkalische Brennstoffzelle (AFC)
Zusammenfassung
Mit der APOLLO-Mission in den Weltraum fand die Brennstoffzellentechnik in Form der alkalischen Brennstoffzelle ihre erste spezifische Anwendung. Herkömmliche Batterien und Akkumulatoren wären zu schwer gewesen; auf Kosten und Lebensdauer kam es nicht an. In den frühen BACON-Zellen arbeiteten Nickelelektroden in 30-prozentiger Kalilauge bei 200 °C und bis zu 50 bar Druck. Nach den Apollo-Flügen wurden keine Hochdruckzellen mehr gebaut.
Peter Kurzweil
4. Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle
Zusammenfassung
Die aktuelle Entwicklung bevorzugt das PEM-System mit seinem eleganten Zelldesign und der hohen Leistungsdichte von 0,1 bis 0,6 W/cm2. Vor dem Hintergrund der forcierten Gesetzgebung in Kalifornien verspricht die PEM-Brennstoffzelle mit Null-Emissions- Fahrzeugen eine nachhaltige Umweltentlastung. Solange Wasserstoff aus fossilen Energieträgern stammt, konkurriert die Brennstoffzelle mit der konventionellen Verbrennungstechnik. Die langfristige Kostensituation bestimmt den Marktzugang.
Peter Kurzweil
5. Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC)
Zusammenfassung
Seit über fünfzig Jahren verfolgen Brennstoffzellenforscher die elektrochemische Direktverstromung von Methanol und anderen Alkoholen – eine faszinierende Idee! Direktbrennstoffzellen wandeln die chemische Energie des Brenngutes – z.B. Wasserstoff, Methanol, Glucose – unmittelbar in elektrische Energie um. Mit Blutzucker und -sauerstoff betriebene Zellen versorgen womöglich in ferner Zukunft künstliche Herzen und Organe. Indirekte Brennstoffzellen benötigen einen vorausgehenden katalytischen Zersetzungsschritt, der Wasserstoff aus dem Rohstoff – z.B. Alkohol, Ammoniak, Cyclohexan, Methan, Flugbenzin – freisetzt (Kap. 10). Ein indirektes Oxidationsmittel ist Wasserstoffperoxid, das katalytisch in Sauerstoff und Wasser zerfällt.
Peter Kurzweil
6. Phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC)
Zusammenfassung
Fruchtlose Versuche, Benzin in einer schwefelsauren Brennstoffzelle zu verstromen, führten zur PAFC. Schwefelsäure reagiert bei 80–100 °C mit Kohlenwasserstoffen, während Phosphorsäure bis 200 °C einsetzbar ist. Schwefelsäure hat den geringeren Elektrolytwiderstand; doch Phosphorsäure erleichtert bei höheren Betriebstemperaturen die Abfuhr des Reaktionswassers auf der Sauerstoffseite. Die PAFC toleriert 1–3 Prozent CO und H2S, so dass wasserstoffreiche Gase aus fossilen Brennstoffen ohne aufwändige Feinreinigung eingesetzt werden können. Die PAFC liefert hohe Stromdichten und hat gute Langzeitstabilität erwiesen. Die Kommerzialisierung im Anlagenbau ist von allen Brennstoffzellentypen am weitesten fortgeschritten.
Peter Kurzweil
7. Schmelzelektrolyt-Brennstoffzelle (MCFC)
Zusammenfassung
Die MCFC nutzt schmelzflüssige Alkalicarbonate als Elektrolyt. Der Direktbrennstoffzellenblock besteht aus porösen Nickelelektroden, die eine mit Carbonat gefüllte Trägerfolie (Matrix) umschließen. Bei 650 °C entsteht anodisch Kohlendioxid und Wasser aus Wasserstoff und Carbonat, das aus dem Elektrolyten nachgeliefert wird. Kathodisch wird Sauerstoff in Kohlendioxid zu Carbonat reduziert. Den Ladungstransport im Elektrolyt übernehmen Carbonationen. Entscheidend für dem Elektrolythaushalt ist die CO2- Rückführung: das kathodisch verzehrte CO2 muss von der Anodenseite stetig ausgeglichen werden. Das Anodenabgas CO2 wird vom Wasserdampf befreit und mit einem Luftüberschuss der Kathode zugeführt. Wellblechartig geformte Stromsammler gewährleisten die Gasversorgung. Bipolarplatten trennen die elektrisch in Reihe geschalteten Einzelzellen.
Peter Kurzweil
8. Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC)
Zusammenfassung
E. BAUR erkannte in den späten 1930er Jahren die SOFC als Stromquelle ”ohne Polarisation“. Leitfähigkeit und Beständigkeit des Ionenleiters und der Elektroden waren damals noch schlecht. Die Hochtemperatur-Dampfelektrolyse von Wasser zur Erzeugung von Wasserstoff – wie die Hot Elly bei DORNIER – gaben der Festoxidtechnik neuen Aufschwung. Bei 1000 °C beträgt die Elektrolysespannung nur 0,9 V.
Peter Kurzweil
9. Hybridsysteme und Redoxbrennstoffzellen
Zusammenfassung
Nicht nur Gase und Flüssigkeiten, auch Feststoffe können verstromt werden. Zink-Luft- und Aluminium-Luft-Batterien verbinden die Eigenschaften von geschlossenen Batterien und kontinuierlich versorgten Brennstoffzellen. In diesen Hybridzellen ist der Brennstoff fest und das Oxidans gasförmig. Eine Batterie (Primärelement) wandelt chemische Energie irreversibel in elektrische Energie und Wärme um und ist nicht wiederaufladbar. Ein Akkumulator (Sekundärelement) ist wiederaufladbar, wobei durch den Ladevorgang erst das galvanische Element entsteht.
Peter Kurzweil
10. Gaserzeugung und Brennstoffaufbereitung
Zusammenfassung
Die Primärenergie aus organischen Brennstoffen (Erdgas, petro-chemische Produkte, Methanol) muss im Brenngaserzeuger (fuel processor) innerhalb oder außerhalb der Brennstoffzelle in den Sekundärbrennstoff Wasserstoff gewandelt werden. Der erzeugte Gleichstrom wird anschießend durch einen Umrichter (power conditioner) in Wechselstrom transformiert, möglichst unabhängig von Spannungsschwankungen der Brennstoffzelle.
Peter Kurzweil
Backmatter
Metadata
Title
Brennstoffzellentechnik
Author
Peter Kurzweil
Copyright Year
2013
Publisher
Springer Fachmedien Wiesbaden
Electronic ISBN
978-3-658-00085-1
Print ISBN
978-3-658-00084-4
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-00085-1

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